原创 高功率致冷器的结构与特性

最近几年随着电子产品、通信设备的高密度、高速化，机器内部的散热对策成为重要课题。虽然电子致冷器(Thermo-Electric Module，或是Peltier modular，以下简称为TE致冷器)应用局部冷却特性不断扩大应用市场，不过TE致冷器本身热stress造成的耐久性限制，使得TE致冷器至今始终不易大型化，有鑑于此国外业者古河电工应用长年精密加工技术，开发100W以上高功率TE致冷器。发展经纬
TE致冷器学名为热电元件，英文称为Thermo-Electric Module，或是Peltier modular。图1是电子致冷器的动作原理；图2是一般电子致冷器模组的断面结构。基本上TE致冷器是利用金属电极将一对p形与n形半导体结合，依照图示方向施加直流电压时电流会从n形流至p形，此时在n形半导体产生与电流相反方向，在p形半导体产生与电流相同方向的热移动，金属电极则变成吸热源。

上述动作属于热泵(head pump)效应，散热端(高温端)充分散热时，可以形成非常有效的冷却系统，高温端的散热量一般是吸热量与通电电流在半导体产生焦尔热量两者的总和。
　

图1 电子致冷器的动作原理
　

图2 一般电子致冷器模组的断面结构
　

此处假设吸热量为Q，电流为l，散热面温度为Tk，冷却面温度为Tc，半导体元件的对数为N，TE致冷器的吸热量Q可用下式表示:

式(1)表示TE致冷器的吸热效果；式(2)表示热传导效果；式(3)表示焦尔热。此外输入电压V与消费电力W分别以下式表示:

上述TE致冷器使用陶瓷基板将复数半导体元件挟持固定，如图3所示动作时散热面高温膨胀吸热面冷却收缩，造成半导体固定部位产生剪断应力，长时间大温差反覆使用经常发生模组破损、銲接部位疲劳龟裂等等问题，尤其在模组端缘特别明显，TE致冷器尺寸变大时上述问题更严重，因此TE致冷器始终不易大型化。

已经商品化的TE模组最大是40~50mm左右，而且必需作高精度温度管理与中~小容量的冷却，到目前为止TE致冷器主要应用大多集中在例如要求高画质CCD相机、感测器等领域。

利用100W以上的吸热、散热等应用时，通常是将复数个模组串联或是并联使用，此时为提高散热鳍片(heat sink)与TE模组的热传导性，必需严格控制各模组的厚度筛选，使各模组的吸热量与温差相近。
　

图3 电子致冷器模组的受热歪斜
　

如图4所示新开发的大型TE致冷器，结构上具备以下三个特徵分别是:
①各元件上、下未固定，利用绝缘体将元件中央固定(机构性连接)
②半导体元件的上、下面以小片铜质电极(包覆镍膜层)连接形成TE致冷器模组
③元件与电极之间利用銲接固定
表1是大型电子致冷器模组的结构与主要规格一览。
　

图4 大型电子致冷器模组的断面结构
　 项目 结构 材质电极 尺寸:
2.3×5.0×0.4mm 电镀镍无氧铜半导体元件 尺寸:
2×2×2.3mm
pair数:248个 Bismuth Tellurium銲接方式 --- 锡、铅銲接隔板(separator) 尺寸:
71×72×0.5mm 耐热性强化树脂模组 尺寸:
71×72×3.2mm ---

表1 大型电子致冷器模组的结构与主要规格
　

 结构特征
新开发的大型TE致冷器的p形与n形半导体，利用上、下面銲接方式连接的半导体中央部位以耐热性环氧树脂固定，由于上、下面的电极依照各组半导体元件连接在陶瓷基板形成一体，因此TE模组比较不易受到热膨胀发生剪断应力影响，换言之大型TE致冷器对热应力，具有较高的可靠性容易大型化等特征，尤其是应用Peltier modular急速加热、急速冷却主要特，非常适合使用对热歪斜具有极高的可靠性的大型TE致冷器。

图5是新开发标准shell电子致冷器模组的外形；图6是hard shell电子致冷器模组的外形尺寸；照片1~3分别是大型TE致冷器模组的外观、标准外壳(shell)、硬壳(hard shell)TE致冷器的外观。

标准外壳与硬壳TE致冷器是依照用途特别开发，70×70mm大型Peltier modular具备密封(seal)结构，属于可以在结露环境下使用的TE致冷器，它的厚度只有4.1mm适用有空间限制的应用；硬壳TE致冷器坚固结构，优秀的耐冲击性可作大范围的应用。标准外壳TE致冷器的结构基于吸热端与散热端温度稳定化与均热化等考量，内侧设有厚0.5mm铝板绝缘层挟持70×70mm大型Peltier modular，再用弹性接着剂将侧面与seal固定。硬壳TE致冷器结构上比标准外壳TE致冷器更坚固，它是由吸热端与散热端的铝板以及固定用尼龙框架构成，TE模组与铝板的绝缘与标准外壳TE致冷器一样，在铝板的内侧设置绝缘层，模组导体与铝板之间具备DC500V的耐压结构。表2是Hard shell与标准shell电子致冷器模组的规格摘要。
　

图6 hard shell电子致冷器模组的外形尺寸
　

照片1 大型电子致冷器模组的外观　　　　　　　　　照片2 标准shell电子致冷器的外观
　

照片3 hard shell电子致冷器的外观
　 项目 规格Hard shell 标准shell型号 OKT-7070-H OKT-7070-S最大电流(A) 6.0最大电压(V) 27.0最大温差(°C) 65.0 67.0最大吸热量(W)(△T=°C) 120 120内部阻抗(Ω)
(Th=50°C) 3.2±10%元件 P/N pair241元件电源取出方式 端子type 导线type
(红线:＋,黑线:－)外形尺寸(mm) (L×W×H) 94×108×22 77×77×4.1重量(g) 520 90导线拉张强度(kg) 2

表2 Hard shell与标准shell电子致冷器模组的规格摘要
　

 TE致冷器主要特性
．热电特性
图7是标准外壳70×70mm大型TE致冷器(OKT-7070-S)的吸热量Q-温差特性ΔTg，与供给电力W-温差特性ΔTg对TE模组电流的热电依存性。一般而言Peltier modular的输入电流一定时，吸热量Q-温差特性ΔTg随遮低温端Tc与高温Tk的温差增加逐渐降低，亦即使用TE致冷器希望获得最大吸热量Qmax时，散热面与冷却面的温度必需相同( ΔTg = 0 )，此处最大吸热量以ΔTg = 0的条件定义,
由图7的资料可知标准外壳的最大吸热量高达130W。至于最大温差假设以吸热量= 0的条件定义，从图7的座标可知最大电流6A时最大温差ΔTg大约是68°C。
　

图7 标准shell电子致冷器的热电特性
　

热循环耐久性
一般而言以往eltier modular的主要弱点是对急冷、急热造成的热歪斜(thermal strain)非常脆弱，此外对温度的ON/OFF控制长期耐久性也备受受指谪。新开发大型TE致冷器採用骨架(skeleton)方式，将模组中央部位以树脂固定，它与利用陶瓷基板形成一体的传统TE模组比较，不易受到热膨胀产生剪断应力。

为测试大型TE致冷器对热歪斜的可靠性，上述70×70mm大型TE致冷器(OKT-7070-S)利用图8方式进行测试，图9是大型电子致冷器模组(OKT-4040-S)的热循环测试结果。图9的横轴是热循环(cycle)次数，纵轴是TE模组阻抗值经时变化(经过时间的变化)的座标，根据图9的测试结果显示到5万次循环为止，TE模组的阻抗值与对热歪斜的耐久性都非常稳定。

图10是Hard shell电子致冷器模组(OKT-4040-H)的热循环测试结果，具体不实验是反覆使吸热面的温度在-15°C ~ +110°C之间变化，根据图9的测试结果显示，至1万次循环为止TE模组的耐久性非常稳定。

由于新开发TE致冷器具备大型、高功率、稳定的耐久性，因此非常适合应用在各种领域。表3是新型TE致冷器适用领域一览。
　

图8 热循环耐久测试
　

图9 大型电子致冷器模组(OKT-4040-S)的热循环测试结果
　

图10 Hard shell电子致冷器模组(OKT-4040-H)的热循环测试结果
　 应用领域 适用设备 目的半导体领域 晶圆实验设备、循环冷却设备 高精度化、高速冷却医疗、生技 医疗用冷却设备、DNA增幅器 检查合理、自动化、低噪音化电子 雷射二极体实验设备、元件检测设备 小型高精度化一般产业 雷射加工机冷却、温控设备冷却 小型化车用 车用冰箱 小型化

表3 新型TE致冷器适用领域一览
　

 结语
新型TE致冷器结构上採用骨架方式固定模组中央部位，因此突破传统TE致冷器不易大型化技术瓶颈，对热歪斜具有优秀稳定的耐久性与高吸热特性，非常适合应用在各种领域。